Новое исследование использует данные о Земле для изучения экзопланет и показывает, что даже очень малое количество света - в один пиксель - помогает измерить ключевые характеристики далеких миров, - пишет phys.org со ссылкой на Astrophysical Journal.
Изучение экзопланет - планет, которые лежат вне нашей солнечной системы, может помочь ученым ответить на важные вопросы о нашем месте во Вселенной и о том, существует ли жизнь за пределами Земли. Но прямые изображения этих планет крайне сложно получить.
В новом исследовании используются данные, полученные с помощью прибора NASA Earth Polychromatic Imaging Camera (EPIC), установленного на Американском космическом аппарате для наблюдения за Солнцем и Землей под названием Deep Space Climate Observatory (DSCOVR). DSCOVR идет вокруг Солнца в точке 1 Лагранжа, которая обеспечивает EPIC постоянным видом на солнечную поверхность нашей родной планеты. EPIC наблюдает за Землей непрерывно с июня 2015 года, создавая детализированные карты поверхности планеты на нескольких длинах волн и помогая в исследованиях климата и погоды.
Камера EPIC фиксирует отраженный от Земли свет в 10 разных длинах волн, или цветах. Таким образом, каждый раз, когда EPIC «делает снимок» Земли, он фактически захватывает 10 изображений. Новое исследование усредняет каждое изображение до одного среднего значения яркости, то есть создает эквивалент «однопиксельного» изображения для каждой длины волны. Один однопиксельный снимок планеты дает очень мало информации о ее поверхности. Но в новом исследовании авторы проанализировали набор данных, содержащих однопиксельные изображения, получаемые несколько раз в день на 10 длинах волн в течение длительного периода. Несмотря на то, что вся планета была сведена к одной точке света, авторы смогли идентифицировать водные облака в атмосфере и измерить скорость вращения планеты (продолжительность ее дня).
«Преимущество использования Земли в качестве «прокси-сервера» для экзопланет заключается в том, что мы можем проверить полученные из однопиксельных изображений выводы с тем, что мы уже знаем о Земле - мы не можем этого сделать, если используем данные о далекой, реальной экзопланете», - сказал Джонатан Цзян - ученый из атмосферы и климата в Лаборатории реактивного движения НАСА в Пасадене (Калифорния) и ведущий автор нового исследования.
Крошечная точка света
Когда дочь Цзяна, Тереза, училась в начальной школе, он организовал наблюдение за звездами для нее и ее друзей. Цзян указывал на звезды и объяснял, что Солнце также является звездой, и что есть планеты, вращающиеся вокруг других звезд, так же как планеты вращаются вокруг Солнца. Дочь требовала от отца дополнительной информации, спрашивая, как ученые могут узнать о далеких мирах из крошечных точек света в небе.
«Дети задают много хороших вопросов, - сказал Цзян. - И этот вопрос засел у меня в голове: если я увижу экзопланету как крошечную точку света, смогу ли я увидеть облака, и океаны, и почву?»
Цзян начал свою карьеру в области астрофизики, но для своего работы Ph.D он использовал навыки владения компьютером и знание физического моделирования климата Земли. Он применил климатические данные для изучения экзопланет. Экзопланеты значительно менее яркие, чем звезды, и поэтому их гораздо труднее обнаружить. Пока с помощью прямой визуализации было обнаружено только около 45 экзопланет, и все они были намного больше Земли. Большинство же известных экзопланет (официально более 3700) были обнаружены косвенно, используя, например, транзитный метод, в рамках которого ученые наблюдают небольшое затемнение звезды, на фоне которой проходит экзопланета.
Инструмент EPIC захватывает отраженный от солнечной стороны Земли свет в 10 разных длинах волн или цветах, потому что разные материалы отражают разные длины волн света в разной степени интенсивности. Например, растения отражают в основном зеленый свет. И красные планеты вроде Марса имеют цветовой профиль, отличный от других планет, например, покрытых льдом.
Новое исследование показывает, что, наблюдая планету с определенными особенностями – например, океанами и континентами - в течение долгого времени, можно измерить скорость вращения планеты, фиксируя повторяющиеся образцы отраженного света. Эта закономерность возникает из-за того, что планетарные объекты перемещаются в поле зрения с постоянным ритмом. Например, каждые 24 часа Австралия и Тихий океан становятся объектом наблюдения EPIC, а примерно через 12 часов кадр заполняют Южная Америка и Атлантика. Эта картина изменения света повторяется изо дня в день. В новой статье авторы показывают, что они могут обнаружить этот повторяющийся цикл и таким образом определить скорость вращения или длину дня экзопланеты. Скорость вращения планеты может раскрыть информацию о том, как и когда сформировалась планета. Однако эта величина является особенно сложной для измерения характеристикой.
«Некоторое время говорили об использовании этого подхода для измерения скорости вращения экзопланет, но не было никакой демонстрации того, что он может работать, потому что у нас не было реальных данных, - сказал Реню Ху – специалист по экзопланетам в Лаборатории реактивного движения НАСА и соавтор нового исследования. – Теперь мы показали, что на каждой длине волны появляется 24-часовой период - это означает, что новый метод измерения скорости вращения планеты является надежным».
Авторы отмечают, однако, что эффективность метода будет зависеть от уникальных особенностей планеты. Картина дневного цикла может быть не так очевидна на планете, поверхность которой в значительной степени однородна. Венера, например, покрыта толстыми облаками и не имеет океанов на поверхности, поэтому повторяющаяся картина смены дня и ночи может в какой-то момент не проявиться или быть недостаточно отчетливой для однопиксельного изображения. Планеты, такие как Меркурий и Марс, также сложны для наблюдения, но, по словам Цзяна, такие планетарные образования, как кратеры, могут также способствовать отображению модели, которая может использоваться для измерения скорости вращения.
Сложности исследования и важные вопросы
Уже были исследования, которые использовали Землю в качестве «прокси-сервера» для экзопланет, чтобы исследовать, какие свойства планет могут быть изучены дистанционно, но еще никогда ученые не рассматривали такой большой диапазон длин волн. Это также первое подобное исследование, основанное на большом массиве данных, полученных в течение длительного периода времени: наблюдения велись в течение 27 месяцев, EPIC фиксировал изображения 13 раз в день.
Прямые наблюдения за экзопланетами дают гораздо меньше информации, чем новое исследование. Вместе с тем, по сообщениям ученых, для измерения скорости вращения экзопланеты с точностью более 90%, требуется получать снимки только два-три раза за орбитальный период в течение примерно семи орбитальных периодов.
Количество времени, в течение которого астрономы должны наблюдать за экзопланой для определения ее скорости вращения, также зависит от того, сколько побочного света попадает в снимки. Данные EPIC обеспечивают исключительно четкое представление о Земле, которая в значительной степени свободна от света других источников. Но одна из основных проблем в непосредственных изображениях экзопланет заключается в том, что они тусклее, чем их родительские звезды. Свет от соседней звезды может легко заглушить свет от экзопланеты, что сделает ее невидимой. В таком случае для определения скорости вращения планеты может потребоваться больше времени. NASA исследует потенциальные проекты для телескопов следующего поколения, которые могут напрямую отображать экзопланеты, размером с Землю.
Если ученые изучат особенности поверхности далеких планет, то,
возможно, смогут ответить на еще больший вопрос, который
поставила перед Цзяном дочь, - есть ли на какой-то из этих планет
жизнь?
[Фото: phys.org]
